2. Khảo sât hệ thống phđn phối khí trong động cơ G4KA
2.4. Hệ thống thay đổi góc phđn phối khí
2.4.1. Pha phđn phối khí trong động cơ:
Trong động cơ để thải sạch sản vật chất ra khỏi xi lanh khi xupâp xả không đóng tại vị trí ĐCT mă đóng chậm hơn một chút ứng với góc lă 60 vă mở sớm xupâp xê trước khi piston tới ĐCD ứng với một góc 420.
Trong quâ trình nạp phải đảm bảo cho đường thông qua xupâp nạp đê được mở rộng dần trong khi piston đi xuống trong kỳ một, xupâp nạp được mở sớm hơn một chút trước khi piston đến ĐCT ứng với một góc 290 vă đóng muộn xupâp nạp ứng với một góc 190 Như vậy văo cuối kỳ bốn vă đầu kỳ một cả xupâp nạp vă xả đều mở. Giai đoạn cùng mở của câc xupâp nạp vă xả được gọi lă thời kỳ trùng điệp của câc xupâp. Thời kỳ năy có tâc dụng tốt đến việc thải sạch khí xả vă nạp đầy môi chất mới văo xilanh nhờ tâc dụng hút của dòng khí xả trín đường ống thải.
Giai đoạn tính từ lúc mở đến lúc đóng câc xupâp (tính bằng góc quay trục khuỷu) được gọi lă pha phđn phối khí.
Ảnh hưởng của pha phđn phối khí đến quâ trình nạp vă thải của động cơ bốn kỳ được thể hiện qua hệ số nạp thím λ1 vă hệ số quĩt buồng chây λ2. Câc hệ số năy lăm cho giâ trị của hệ số khí nạp ηv vă hệ số khí sót γr tính theo pha phđn phối khí lý thuyết được sât với giâ trị thực trong động cơ thực tế.
Hiện nay chưa có một phương phâp giải tích chặt chẽ để xâc định λ1 vă λ2 theo
thời điểm mở vă đóng câc xupâp nạp vă xupâp xả, λ1 vă λ2 được chọn dựa văo số liệu
thực nghiệm. Vì vậy cần phải tìm hiểu kỹ câc pha phđn phối của những động cơ đê chế tạo vă ảnh hưởng của chúng đến diễn biến quâ trình nạp vă thải của động cơ.
4 3 2 1 ĐCD ĐCT Hình 2-17: Pha phđn phối khí.
1. Vị trí mở xupâp nạp; 2. Vị trí đóng xupâp nạp.3. Vị trí mở xupâp xả; 4. Vị trí đóng xupâp xả.
2.4.2. Ảnh hưởng của pha phđn phối đến quâ trình hoạt động của động cơ:
Xupâp thải bắt đầu mở sớm trước khi piston tới ĐCD nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quâ trình thải, bằng câch cho sản vật chây tự thoât ra nhờ chính âp giữa xilanh vă đường thải. Với mục đích lăm giảm tải trọng động cho xupâp, cần phải cho xupâp mở vă đóng đường thông một câch từ từ. Chính vì vậy việc mở sớm xupâp thải nhằm tạo ra giâ trị “thời gian – tiết diện” đủ để âp suất trong xilanh được giảm đến mức yíu cầu khi piston bắt đầu đi ngược từ ĐCD lín ĐCT. Khi đê mở sớm xupâp thải văo thời điểm hợp lý sẽ lăm giảm công tiíu hao cho việc đẩy khí thải. Nhưng nếu mở xupâp thải quâ sớm sẽ lăm giảm công giên nở trín đồ thị công, qua đó lăm giảm công suất động cơ. Tốc độ của động cơ căng cao thì thời điểm mở xupâp thải phải căng sớm.
Xupâp thải bao giờ cũng đóng muộn (sau khi piston đê đi qua ĐCT) nhằm đảm bảo đủ trị số “thời gian – tiết diện” cho
p 2
3 1
sản vật chây đi ra ở cuối hănh trình thải, mặt khâc nhằm lợi dụng chính âp
th r
r p p
p = −
∆ > 0 để sản phẩm chây được thải tiếp, giảm lượng khí sót còn lại trong
xilanh. Ngoăi ra, việc đóng muộn xupâp xả còn nhằm sử dụng quân tính của dòng khí trín đường thải, sinh ra giảm âp có tính chu kỳ, thấp hơn giâ trị trung bình của pth, tạo điều kiện thuận lợi để thải sạch hơn.
Thời gian bắt đầu mở xupâp nạp cần chọn sao cho khi âp suất trong xilanh (do giên nở của khí sót) hạ xuống thấp hơn âp suất môi chất trín đường nạp, thì tiết diện lưu thông của xupâp nạp đê đủ lớn để môi chất mới đi văo. Do đó thường phải mở sớm xupâp nạp (trước khi piston tới ĐCT).
Xupâp nạp cũng thường đóng muộn, sau khi piston đê vượt qua ĐCD nhằm nạp thím môi chất mới vì ở ĐCD tiết diện lưu thông qua xupâp còn mở lớn, âp suất pa trong xilanh còn thấp hơn âp suất pk. Quân tính của môi chất mới từ đường nạp văo xilanh vẫn còn. Do đó có thể kĩo dăi quâ trình nạp thím một giai đoạn sau ĐCD cho đến khi âp suất trong xilanh trở nín lớn hơn pk.
2.4.3. Cơ sở lý thuyết của hệ thống thay đổi góc phối khí:
Khi động cơ hoạt động ở câc tốc độ khâc nhau, ở mỗi tốc độ tương ứng với một pha phđn phối khí cũng khâc nhau để cho hệ số nạp ηv lă lớn nhất. hệ số nạp ηv đạt
được tối ưu đồng nghĩa với công suất động cơ phât ra lă tối ưu ở dêi tốc độ đó.
Theo nguyín lý động cơ thì người ta muốn câc giâ trị thực tế của hệ số nạp vă hệ số khí sót tính theo pha phđn phối đựợc gần với giâ trị theo lý thuyết.
Mặt khâc khi câc xupâp đóng mở câc cửa nạp vă thải đúng lúc theo từng tốc độ khâc nhau cũng cải thiện được câc sản vật chây sinh ra ít gđy ô nhiễm môi trường.
Vậy, để cho động cơ lăm việc tốt nhất, hiệu quả nhất ở mỗi chế độ lăm việc thì phải cần có một pha phđn phối tương ứng hay nói câch khâc thì câc góc đóng mở của câc xupâp phải thay đổi theo phù hợp với tốc độ động cơ. Đối với câc động cơ thông thường việc lăm năy rất khó khăn.
cùng với sự phât triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ nhất lă công nghệ điều khiển tự động. Hơn hết lă điều khiển tự động bằng thủy lực. Điều khiển bằng thủy lực lăm việc có hiệu quả cao, độ nhạy lớn, phù hợp với việc điều khiển câc cơ cấu mang tính chính xâc cao. Nhiều nhă sản xuất, chế tạo động cơ trín thế giới đê âp dụng công nghệ năy văo việc điều khiển câc cơ cấu, câc chi tiết,… trong động cơ. Đi đầu lă nhă sản xuất động cơ KIA MOTORS âp dụng hệ thống xoay trục cam nạp văo việc điều khiển cơ cấu phđn phối khí trong động cơ. Với hệ thống năy sẽ tự động điều khiển xoay trục cam nạp đi một góc năo đó để thay đổi góc phđn phối khí phù hợp với từng chế độ lăm việc của động cơ.
Hệ thống xoay trục cam nạp sử dụng âp suất dầu bôi trơn của động cơ cùng với sự điều khiển của van điện từ lăm xoay trục cam dẫn động xupâp.
Khi sử dụng hệ thống năy trong cơ cấu phđn phđn phối khí có thể lăm cho câc giâ trị của hệ số khí nạp vă hệ số khí sót thực tế gần với giâ trị theo tính toân lý thuyết ở câc tốc độ khâc nhau của động cơ. Đồng thời cũng lăm tăng khả năng tiết kiệm nhiín liệu, lăm giảm nồng độ khí xả độc hại, mang lại tính kinh tế cao đâp ứng được câc yíu cầu của người tiíu dùng vă tiíu chuẩn về mức độ ô nhiễm môi trường của thế giới đặt ra.
Tuy nhiín để việc điều khiển chính xâc cho hệ thống trong cơ cấu phđn phối khí cần phải lắp câc cảm biến để nhận biết được trạng thâi lăm việc của động cơ như cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam, cảm biến nhiệt độ dầu … Câc giâ trị nhận được từ câc cảm biến sẽ truyền đến bộ xử lý tính toân ECU của động cơ.
2.5. Đặc điểm,kết cấu của hệ thống thay đổi góc phđn phối khí:
2.5.1. Chức năng của hệ thống:
Hệ thống lăm thay đổi góc phđn phối khí phù hợp quâ trình lăm việc của đọng cơ sao cho phù hợp với điều kiện lăm việc của động cơ. Hệ thống sử dụng âp suất thuỷ lực điều khiển bằng van điện từ để xoay trục cam nạp vă thay đổi thời điểm phối khí để đạt được thời điểm phối khí tối ưu vă cải thiện động cơ để giảm bớt sự tiíu hao nhiín liệu . Hệ thống năy có thể xoay trục cam một góc 400 tính theo góc quay trục khuỷu để đạt thời điểm phối khí tối ưu cho câc chế độ hoạt động của động cơ dựa văo câc tín hiệu nhận được từ câc cảm biến vă được điều khiển bằng ECU động cơ. Do đó hệ thống năy được đânh giâ rất cao vì nó cải thiện quâ trình nạp vă thải, tăng công suất động cơ, tăng tính kinh tế vă giảm ô nhiễm môi trường.
* Cấu tạo:
Cấu tạo hệ thống gồm: Bộ điều khiển (CVVT), ECU động cơ, cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến lưu lượng khí nạp vă cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến vị trí trục cam. Trong đó hai bộ phận quan trọng nhất của hệ thống lă van điều khiển phối khí (OCV) vă bộ điều khiển.
BƠM DẦU 7 6 8 6 OCV 1 ECU 2 3 4 5 6 Hình 2-18: Sơ đồ nguyín lý hệ thống CVVT
1 - Bộ điều khiển CVVT; 2 - Trục cam nạp; 3 - Bộ cảm ứng góc cam; 4 - Trục cam thải; 5 - Trục khuỷu; 6 - Đường truyền tín hiệu;
7- Bộ cảm ứng góc quay trục khuỷu; 8 - Đường dầu.
Bộ điều khiển CVVT: Điều khiển thời điểm đóng mở xupâp theo chế độ tải vă tốc độ động cơ.
ECU: Nhận tín hiệu từ bộ cảm ứng, xử lý tín hiệu vă truyền tín hiệu van điều chỉnh dầu OCV.
OCV: nhiệm vụ nhận tín hiệu từ ECU vă thực hiện theo tín hiệu nhận được để bơm dầu văo bộ điều khiển CVVT.
Bộ phận chấp hănh của hệ thống dùng để điều khiển xoay trục cam nạp, với âp suất dầu dùng lăm xoay bộ điều khiển xâc định thời điểm mở sớm hoặc mở muộn xupâp, vă van điều khiển dầu phối khí trục cam để điều khiển đường đi của dầu.
Cảm biến vị trí trục cam Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Cảm biến vị trí bướm ga Cảm biến lưu lượng khí nạp Cảm biến vị trí trục khuỷu
Bộ điều khiển xoay cam Van điều khiển phối khí
Thời điểm phối khí thực tế Hiệu chỉnh Thời điểm phối khí cần chỉnh
Phản hồi ECU động cơ
Hình 2-19: Sơ đồ điều khiển điện tử.
ECU của động cơ tính toân thời điểm phối khí tối ưu nhất dựa trín câc tín hiệu từ câc cảm biến, sau đó so sânh với thời điểm phối khí thực tế (nhận biết được từ tín hiệu cảm biến CVVT) vă điều khiển van dầu lăm xoay trục cam đi một góc cần điều chỉnh. Cảm biến vị trí trục khuỷu vă cảm biến vị trí trục cam lăm nhiệm vụ nhận biết thời điểm phối khí thực tế của động cơ nhờ ECU động cơ. Ngoăi ra cảm biến vị trí trục khuỷu còn nhận biết tốc độ của động cơ. Cảm biến vị trí bướm ga vă cảm biến vị trí lưu lượng khí nạp cho biết tải của động cơ đang hoạt động, câc tín hiệu nhận được từ cảm biến được đưa về ECU động cơ để xử lý. Bộ xử lý ECU của động cơ nhận câc tín hiệu của câc cảm biến vă xử lý để đưa câc tín hiệu ra bộ điều khiển để điều khiển van phối khí đóng mở phù hợp với chế độ lăm việc của động cơ
2.5.2. Bộ điều khiển của hệ thống:
Bộ điều khiển được gắn trục cam nạp vă lăm nhiệm vụ quay trục cam nạp theo sự điều khiển của ECU động cơ.
Bộ điều khiển bao gồm một vỏ được dẫn động bởi xích cam vă câc cânh quay được gắn cố định trín trục cam nạp bằng bulông vă chốt định vị. Trong cânh quay có câc đường dẫn dầu thông với trục cam để dẫn dầu văo câc khoang bín trong bộ điều khiển. Lúc động cơ lăm việc trong khoảng 40 ± 20 ứng với góc quay trục cam 200 ± 10 Do đó âp suất dầu phải được tăng lín trong khoảng 0 ÷ 1000 (KPa), được gửi từ phía lăm sớm hay phía lăm muộn trục cam nạp sẽ xoay câc cânh gạt của bộ điều khiển hệ thống theo hướng tương ứng để thay đổi thời điểm phối khí của xupâp.
6 7 1 Ø 12 0 Ø 10 4 10 0 Ø 14 Ø 42 50 Ø 8 Ø 12 Ø 20 14
Hình 2- 20: Cấu tạo bộ điều khiển.
1 – Trục cam; 2 – Đĩa răng của trục cam; 3 – Cânh quạt của của CVVT; 4 - Chốt khoâ; 5 - Vỏ của bộ điều khiển; 6 – Bulông đầu trục cam; 7 - Đệm
lót; 8 – Bulông bắt văo vỏ trục cam; 9 - Phớt chắn dầu.
Quâ trình lăm việc thì nhiệt độ dầu tăng lín hoặc khi không hoạt động ở những nước khi nhiệt độ giảm xuống 00C như vậy nhiệt thay đổi trong khoảng từ - 400C ÷ +1300C ngoăi ra trín cânh quay còn có lắp chốt khoâ để cố định cânh quay với đĩa xích khi động cơ chưa lăm việc. Khi động cơ ngừng, trục cam nạp chuyển động đến trạng thâi muộn nhất để duy trì khả năng khởi động. Khi động cơ lăm việc với tốc độ động cơ dao động trong khoảng 650 ÷ 6000 (v/p), trục cam nạp mở sớm phù hợp từng chế độ. Khi âp suất dầu không đến bộ điều khiển hệ thống ngay lập tức sau khi động cơ khởi động, chốt khoâ sẽ hêm câc cơ cấu hoạt động của bộ điều khiển hệ thống xoay cam nạp để trânh tiếng gõ.
2.5.3. Van điều khiển phối khí:
Van điều khiển phối khí lăm nhiệm vụ điều khiển đường dầu đến bộ điều khiển vă thoả mên câc điều kiện câc hoạt động: nhiệt độ của dầu chạy trong khoảng -40 ÷ + 1300C, phạm vi hoạt động ap suất dầu 0 ÷ 1000 (KPa), điín âp thay đổi 10 ÷ 16 (V) thông qua tín hiệu điều khiển của ECU.
Van điều khiển lưu lượng dầu phải thoả những đặc điểm như sau: Điện âp của OCV lă 12V, điện trở của cuộn dđy 7,4 ± 0,5 (Ω) ứng với nhiệt độ đạt được 200C, cường độ dòng điện chảy trong khoảng 100 ÷ 1000 (mA) vă trong quâ trình lắp râp sao cho đạt độ chính sât cao.
Khi nhận tín hiệu từ ECU động cơ qua dắt nối điều khiển van điện từ đóng mở câc đường đến bộ điều khiển về phía mở sớm hay muộn tuỳ theo tín hiệu điều khiển phụ thuộc văo chế độ lăm việc của động cơ.
Van điều khiển dầu phối khí trục cam chọn đường dầu đến bộ điều khiển tương ứng với độ lớn dòng điện từ ECU động cơ. Bộ điều khiển quay trục cam nạp tương
ứng với câc vị trí đặt âp suất dầu văo, để lăm sớm, lăm muộn hoặc duy trì thời điểm phối khí.
ECU động cơ tính toân thời điểm đóng mở xupâp tối ưu dưới câc điều kiện hoạt động khâc nhau theo tốc độ của động cơ, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga vă nhiệt độ nước lăm mât để điều khiển van phối khí trục cam. Hơn nữa, ECU dùng câc tín hiệu từ câc cảm biến vị trí trục cam vă cảm biến vị trí trục khuỷu để tính toân thời điểm phối khí thực tế vă thực hiện điều khiển phản hồi để đạt được thời điểm phối khí chuẩn.
Khi nhận tín hiệu từ ECU động cơ qua dắt nối điều khiển van điện từ đóng mở câc đường đến bộ điều khiển về phía mở sớm hay muộn tuỳ theo tín hiệu điều khiển phụ thuộc văo chế độ lăm việc của động cơ.
7 6 4 3 2 1 8 9 10 5 P 32 Ø 10 Ø 20 14 Ø 4 Ø 6
Hình 2-21: Cấu tạo của van điều khiển phối khí (OCV). 1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi; 5 - Phớt chắn dầu; 6 - Cuộn dđy điện từ; 7 – Piston; 8 – Dắt cắm;
9 – Đến bộ điều khiển (phía mở muộn); 10 – Đến bộ điều khiển (phía mở sớm).
2.5.4. Nguyín lý hoạt động của hệ thống xoay trục cam nạp:
* Nguyín lý lăm việc của bộ điều khiển ở chế độ xupâp mở muộn nhất:
Bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất ứng với câc trường hợp động cơ ở câc chế độ khi khởi động, động cơ dừng, động cơ chạy ở chế độ không tải vă động cơ chạy ở chế độ nhiệt độ thấp. Câc chế độ năy yíu cầu yíu cầu hỗn hợp phải đậm để động cơ dễ